F/v O Vettoriale - Consigli per inverter

[effebi]

Devo sostituire un motore in continua pilotato ad SCR con un asincrono trifase sotto inverter.

Descrivo brevemente l'applicazione:

Controllo di velocita' per macchina utensile.

Potenza attuale del motore 2 CV

Riduttore a cinghie piane circa 10:1.

Vecita' in uscita 60:180 rpm, a seconda della lavorazione.

Momento del volano circa 10Kgm2 ( e' moltissimo, lo so, il volano pesa 300Kg).

In pratica non ci sono altri carichi oltre al volano ed all'attrito dei cuscinetti, carico dell'utensile trascurabile.

l'avviamento avviene in maniera molto dolce in circa 30 s , dopodiche' la lavorazione avviene a velocita' costante per circa un'ora.

La velocita' deve essere controllata in modo molto preciso con un errore massimo dello 0,05%.

Attualmente il controllo e' ad un solo anello, chiuso con un encoder sull'albero finale di uscita. Il controllo avviene con una scheda PID dedicata che pilota poi il drive di potenza SCR mediante un segnale in tensione.

Ora, ho gia' visto alcune modifiche eseguite con successo in passato utilizzanti un inverter in F/V al posto del drive SCR e un motore a 4 poli di pari potenza al posto del DC e mantenendo l'anello ed il regolatore esistenti.

Il problema e' che la precisione di velocita' peggiora, qualunque taratura si faccia sul PID.

Mi chiedevo se utilizzando un inverter vettoriale sensorless si potesse migliorare la precisione. Da quello che ho capito il drive dovrebbe aggiungere un ulteriore anello interno basandosi sulle correnti rilevate, invece che agire da puro amplificatore come nel caso F/V.

Secondo voi vale la pena di tentare? Avete esperienza diretta di Inverter adatti a questo scopo nel caso?

Grazie a chi vorra' intervenire.

effebi

[roberto8303]

secondo me con il vettoriale ad anello chiuso si puo fare nel tuo caso

[Livio Orsini]

Il problema e' che la precisione di velocita' peggiora, qualunque taratura si faccia sul PID.

Se, come dici, il trasduttore di velocità è un encoder non c'è ragione che avvenga questa perdita di precisione a meno di guasti nel regolatore o di guasti al motore ma, in questo caso, dovrebbero esserci altri sintomi.

Sei sicuro che la scheda dedicata esegua tutto il controllo in digitale? In altre parole il riferimento di velocità deve essere un numero, questo numero deve essere conforntato con un altro numero che è il vlaore della velocità effettiva. L'eventuale errore darà luogo ad un segnale di correzione. Tutta l'elaborazione deve essere fatta in forma numerica da un controllore digitale.

Lasciando perdere questa precisazione puoi benissimo usare, per questa applicazione, un buon V/f se disponi di un controllo come quello che ho descritto sopra.

E' ovvio che la soluzione proposta da Roberto è più che ottima, se usi un inverter ed un motore di buona qualità

[giorgio323]

Devo sostituire un motore in continua pilotato ad SCR con un asincrono trifase sotto inverter.

Descrivo brevemente l'applicazione:

Controllo di velocita' per macchina utensile.

Potenza attuale del motore 2 CV

Riduttore a cinghie piane circa 10:1.

Vecita' in uscita 60:180 rpm, a seconda della lavorazione.

Momento del volano circa 10Kgm2 ( e' moltissimo, lo so, il volano pesa 300Kg).

In pratica non ci sono altri carichi oltre al volano ed all'attrito dei cuscinetti, carico dell'utensile trascurabile.

l'avviamento avviene in maniera molto dolce in circa 30 s , dopodiche' la lavorazione avviene a velocita' costante per circa un'ora.

La velocita' deve essere controllata in modo molto preciso con un errore massimo dello 0,05%.

Attualmente il controllo e' ad un solo anello, chiuso con un encoder sull'albero finale di uscita. Il controllo avviene con una scheda PID dedicata che pilota poi il drive di potenza SCR mediante un segnale in tensione.

Ora, ho gia' visto alcune modifiche eseguite con successo in passato utilizzanti un inverter in F/V al posto del drive SCR e un motore a 4 poli di pari potenza al posto del DC e mantenendo l'anello ed il regolatore esistenti.

Il problema e' che la precisione di velocita' peggiora, qualunque taratura si faccia sul PID.

Domanda: il sistema ad anello chiuso ha mai funzionato? Oppure prima funzionava senza nessun controllo?

Dalla descrizione della macchina sembra che sia stata progettata per mantenere la velocità costante utilizzando un grosso volando. Infatti scrivi che il carico è trascurabile.

L'azionamento, l'attuattore del sistema, ha una coppia limitata. Infatti la macchina si avvia in 30 sec.

Mi aspetto quindi che la velocità della macchina sia mantenuta stabile solo dal volano. L'azionamento si limita a comandare una velocità senza, passami il termine, 'troppa convinzione'. In altre parole non ha coppia per modificare la velocità in tempi lenti.

Se su una macchina così progettata andiamo a imporre un controllo di velocità più impegnato otteniamo dei problemi.

Immagino che se l'accoppiamento non ha molta elasticità si possa riuscire a lavorare con un Regolatore solo P molto blando.

Mi chiedevo se utilizzando un inverter vettoriale sensorless si potesse migliorare la precisione. Da quello che ho capito il drive dovrebbe aggiungere un ulteriore anello interno basandosi sulle correnti rilevate, invece che agire da puro amplificatore come nel caso F/V.

Se quanto detto sopra è giusto l'attuatore non ha la coppia per regolare la velocità. La velocità è mantenuta dalla inerzia. L'azionamento deve solo dare qule poco di corrente per tenerlo in moto.

Prova a usarlo cosi com'è mettendo il regolatore solo in P. Piuttosto di alzare i guadagni abbassali.

Saluti

[effebi]

Dunque, ricapitolando:

Il controllo e' sempre e solo avvenuto in anello chiuso.

Reputo pressoche' impossibile ottenere precisioni come quelle richieste senza.

E' vero che il volano è grande, ma la coppia di un motore DC da 2 CV a magneti permanenti e' tutt'altro che trascurabile.

A proposito di quello che diceva Livio, purtroppo il PID non e' digitale:e' analogico. Infatti, il segnale di retroazione proveniente dall'encoder (un attrezzo di 20 anni fa da ben 10 000 impulsi /giro) dopo essere passato attraverso una catena di PLL ( viene utilizzato per sincronizzare un altro asse) viene convertito in tensione da un convertitore F-V.

Il nodo sommatore e' un normale OP AMP in configurazione appunto di sommatore, a valle del quale si trovano l'amplificatore di errore e l'integratore, sempre ad OP-AMP.

Il problema è che con l'inveter e l'asincrono l'oscillazione di velocià attorno al setpoint è 4/5 volte più grande che con il DC + SCR.

Pensavo che con l'inverter vettoriale si potesse ottenere un controllo piu' deciso senza rischiare instabilità.

Infatti la trasmissione a cinghia con 2 rinvii e' molto elastica e crea problemi in questo senso se il guadagno e' troppo alto.

Grazie, ciao

effebi

[oiuytr]

Premetto che non sono un esperto nel campo...

Potresti provare a collegare l'encoder direttamente all'inverter per sfruttarne il pid interno; a mio avviso il controllo di velocita' aumenta di precisione non poco

[roberto8303]

Una domanda banale ma se sul albero motore hai un imprecisione di 0,5 giri min dopo il rapporto che cè che hai detto di essere 10:1 l imprecisione dopo questo rapporto non diventerebbe 0.05?? cioe 0,5 diviso il rapporto...

[effebi]

Per Francesco:

L'idea mi tenta parecchio, ci avevo gia' pensato. Non conosco pero' inverter cosi' sofisticati. Piu' che di inverter si potrebbe parlare di controllore, in questo caso, ma non ho cosi' tanta esperienza per quanto riguarda gli asincroni 3F. Magari se tu avessi qualche indicazione pratica... almeno a livello di marca/modello. Quello che sto cercando, al di la delle considerazioni teoriche, è qualche riscontro pratico di qualcuno che abbia affrontato un problema simile.

Per Roberto: l'imprecisione e' in percentuale, misurala dove vuoi non cambia. La trasmissione non influenza la precisione della misura in modo significativo. Comunque io misuro sempre all'albero d'uscita, dove sono rigidamente montati volano ed encoder. Parliamo dello 0.05% o se vuoi 0.5 per mille.

Grazie a tutti

effebi

[roberto8303]

Non ho capito bene l imprecisione è in percentuale misurala dove vuoi...secondo me se l imprecisione è 0.05 sull albero del motore sul volano cambia di sicuro

esempio pratico:

Il motore sta girando a 1000,005 rpm quindi sul volano avrai 1000,005 diviso 10 =100,0005 quindi è importante dove si vuole ottenere questa precisione di 0,005 se la vorresti ottenere sul volano allora basta una precisione di controllo di 0,5 sul motore! perche quando avrai sul motore uno scarto es: 1000,05 diviso -10= 100,005 quella desiderata...io la vedo cosi e poi sono molto convinto come è gia stato detto che la massa volanica, aggiungo se ben bilanciata, fara tutto il resto...

[giorgio323]

Provo descrivere i miei dubbi e le mie conclusioni:

Carico: 10 kgm^2

Velocità carico 60-180 rpm

Riduttore 1 a 10;

Motore: 2CV pari a circa 1500 W

Inerizia riportata all'motore J/n^2 = 10/100 = 0.1 kgm^2

La coppia massima del motore consideratolo a 1500 rpm di Velocità Nominale, wn, è:

Pn[W] = Cn[Nm]*Vn[rad/s]

da cui

Cn= 1500/(1500*62.8/60) = 1 Nm; La coppia nominale del motore è 1 Nm.

L'accelerazione massima ottenibile è:

accMax [rad/s^2] = Cmax/J = 1/0.1 = 10 rad/s^2 pari a circa 100 rpm al secondo

Quando ho detto che l'azionamento comanda senza convinzione intendevo che non può farlo di forza bruta.

Non può farlo anche perchè avendo due rinvii di cinghie l'elasticità è elevata. La parte ad elevata inerzia è dopo l'elastico. Azionamento controlla l'albero motore. Il controllo deve esser per forza blando.

alcune domande:

Nella versione iniziale l'encoder era lato carico o lato albero motore?;

Ora dove si trova?

La velocita' deve essere controllata in modo molto preciso con un errore massimo dello 0,05%.

Attualmente il controllo e' ad un solo anello, chiuso con un encoder sull'albero finale di uscita. Il controllo avviene con una scheda PID dedicata che pilota poi il drive di potenza SCR mediante un segnale in tensione.

la risoluzione dell'ingresso analogico dell'inverter in uso quanti bit ha?

Potrebbero essere pochi.

Se il controllore è analogico e il buon vecchio SCR precedente pure potrebbe essere un pb di risoluzione.

Dovresti avere una risoluzione minima dello 0.5% sulla velocità lato motore.

Pari a 1 su 200. Devo avere 1 su 200 anche a 60 rpm lato motore, cioè a 1/3 della Vel massima.

Diventa quindi 1/600 alla Vel massima.

Volendo avere un controllo devo poter avere almeno 4/5 volte la risoluzione (e sono stato stretto, avrei voluto dire 10).

L'A/D di ingresso deve essere almeno 1/2400. 11 bit (2048) sono scarsi dovresti averne almeno 12 (4096).

Alcuni inverter permettono di mettere in somma due segnali provenienti da due ingressi analogici. potresti usare un secondo ingresso analogico con una scalatura opportuna (es max +/- 10 rpm) per aumentare la risoluzione.

Il controllo e' sempre e solo avvenuto in anello chiuso.

Reputo pressoche' impossibile ottenere precisioni come quelle richieste senza.

In base a quanto letto torno a suggerire di lavorare con un controllo blando. Tutto proporzionale con un Integrale lento, lento. Solo per avere errore di velocità a regime nullo.

Buon Lavoro

[Livio Orsini]

effebi:

La velocita' deve essere controllata in modo molto preciso con un errore massimo dello 0,05%.

poi:

.... viene convertito in tensione da un convertitore F-V.

Con quel trasduttore di velocità non è possibile ottenere 0.05% di precisione di velocità Per quanto il convertitore F/v sia stabile e preciso sarebbe un risultato eccezionale ottenere 0,5 nel breve periodo e 1% nel lungo periodo.

Per ottenere quella precisione nel lungo periodo è necessario non solo un controllo completamente digitale, ma anche un riferimento di frequenza molto stabile e preciso. Siamo a 500 parti per milione che non sempre son raggiungibili con un clock di un sistema a microcontrollore.

Giorgio323:

In base a quanto letto torno a suggerire di lavorare con un controllo blando. Tutto proporzionale con un Integrale lento, lento. Solo per avere errore di velocità a regime nullo.

Sono completamente d'accordo con Giorgio. Cercare di controllare velocemente un simile sitema si rischia l'instabilità senza ottenere le prestazioni richieste.

Anzi sono forse più pessimista. Penserei più ad un anello esterno, cioè con trasduttore sull'albero lento, di solo integrale per correggere la deriva di velocità. Per la precisione nel breve periodo farei affidamento solo sulla precisione intriseca dell'azionamento e sul volano.

Modificato: 14 marzo 2009 da Livio Orsini

[effebi]

Premetto che sono d'accordo sia con Giorgio che con Livio su quanto affermano, purtroppo.

Vorrei fare alcune precisazioni che comunque non inficiano il senso e l'ordine di grandezza della vostre considerazioni.

1) La coppia del motore è circa il doppio di quella calcolata da Giorgio (Vn=2500 rpm)

2) L'encoder è ed e' sempre stato sull'albero (lento) di uscita, cosi' come il volano.

3) La macchina non possiede microprocessore o memoria di alcun tipo. Il tutto e' realizzato a componenti digitali od analogici discreti pur se di ottima qualità, talvolta aerospaziale o militare. Si tratta di macchine costruite piu' di venti anni fa negli USA e progettate piu' di trenta. Ad esempio i sincronismi tra i vari movimenti sono realizzati con PLL analogici di buona fattura.

4)La precisione richiesta è nel preve periodo, diciamo il tempo di un giro in uscita (1/3 di s). Per tempi lunghi si puo' tollerare 10 o anche 20 volte tanto.

5)Credo ancora che aggiungendo un anello interno di corrente (fatto autonomamente dall' inverter vettoriale sensorless), essendo questo svincolato dall'elasticita' della trasmissione ed avendo costanti di tempo meccaniche nettamente inferiori, esso possa avere una risposta piu' veloce e migliorare il controllo in generale.

Infine credo che Giorgio abbia centrato il problema, con la risouzione in ingresso dell'inverter.

Dato che questo e' il punto in cui posso intervenire, voi avete esperienza pratica di inverter particolarmente perfomanti da questo punto di vista?

Magari anche facendo come diceva Francesco, cioe' portando il controllo tutto all'interno dell'inverter ed entrando direttamente con il segnale encoder. Io mi ero orientato su modelli abbastanza comuni tipo il Mitsu* E500 o l' A*B ACS350, ma forse qualcuno ha idee migliori. Lo so, posso sfogliare i cataloghi da solo, ma mi piacerebbe qualche riscontro diretto.

Grazie a tutti, ciao.

effebi

[Livio Orsini]

1) La coppia del motore è circa il doppio di quella calcolata da Giorgio (Vn=2500 rpm)

Dunque 2 Hp @ 2500 rpm ===> C_m = (716 * P)/w = 716*2/2500=0.5728 kgm == 5.612 Nm (anche se ritengo questa velocità "strana", ipotizzando una più normale velocità di 2860 rpm avremmo 0.5 kgm).

Riporatati all'albero lento sono 56 Nm considerando il rendimento della trasmissione a cinghia prossimo all'unità.

Con J = 10 kgm² si può avere un'accelerazione massima di circa 6.28 rad sec². Accelerazione che è veramente bassa.

Se il carico è puramente una massa volanica, non sono presenti disturbi di coppia causati da resistenze ed attriti variabili, la velocità sarebbe intirnsecamente stabile.

A questo punto adotterei una soluzione quasi opposta. Adotterei un inverter vettoriale (Mitsubishi, per espereienza direta, è ottimo come è ottimo anche ABB) con reazione di velocità da encoder o resolver montato direttamente sul motore. In altri termini non prenderei in considerazione la stabilizzazione della velocità del carico.

Controindicazioni.

La trasmissione a cinghia potrebbe causare, causa l'elasticità, qualche pendolamento al termine dell'accelerazione. Usando una rampa attacco e fine raccordati si dovrebbe eliminare l'inconveniente.

Variazioni di velocità del carico, dovute a disturbi di coppia resistente non possono essere corrette.

Modificato: 15 marzo 2009 da Livio Orsini

[effebi]

Livio, scusa, il valore di velocita' nominale era riferito al motore originale DC, che e' appunto 2500 rpm.

Corrente nominale 10 A, tensione nominale 180V, potenza resa 2 CV.

Io, visto che non si dovrebbero superare di molto i 1800 rpm all'albero motore, optavo per montare un comune asincrono da 2 CV a 4 poli, andando su leggermente di frequenza (max 75-80 Hz) con l'inverter e perdendoci un po' in coppia. L'avviamento come ho detto e' molto lungo e doce e non ci sono poi disturbi rilevanti di coppia resistente.

Comunque la sostanza non cambia di molto.

L'idea di spostare l'encoder sull'albero del motore e' buona in teoria, ma cercherei di evitarla perche' non vorrei modificare troppo la configurazione del sistema.

L'encoder attuale e' usato anche per altri scopi di sincronismo in macchina, quindi dovrei mantenerlo.

Oggi, per curiosita' ho provato a vedere se trovavo le specifiche di risoluzione in bit dei convertitori sull'ingresso analogico degli inverter, ma nisba.

Alcuni dichiarano una precisione in frequenza dell' 1% (Mits* 500) e solo O**on sul V1000 dichiara 0.1%. Sull' A*B ACS350 non ho trovato nessun dato a riguardo.

Mi sa che mi tocchera' contattare i vari sevizi tecnici. Comunque se questi sono i valori, è chiaro che non ci siamo e che come dicevi tu il problema è convertitore F/V nell'anello di velocita'.

Magari bisognera' "scavalcarlo" con un sistema come quello proposto da Francesco. Si tratta probabilmente di andare su un inverter di classe piu' elevata, con la possibilita' di montare schede di ingresso per encoder.

Resto in attesa di altre eventuali esperienze o consigli pratici sull'argomento, specialmente per quanto riguarda gli inverter da utilizzare.

Grazie, ciao

effebi

[Livio Orsini]

..andando su leggermente di frequenza (max 75-80 Hz) con l'inverter e perdendoci un po' in coppia.

Non perdi coppia se monti un motore 240 V / "D" - 400 V / "Y", tari il V/f 400 V / 87 Hz e colleghi il motore a "D". Ovviamnete l'inverter deve erogare la corrente necessaria al motore per lavorare a 240 V "D".

Se aquisti in vettoriale ed un motore asincrono specifico per controllo vettoriale, con encoder incorporato, non devi modificare nulla del tuo sistema.

Cnn l'encoder del motore chiudi l'anello del controllore vettoriale; usi l'attuale encoder per i controli attuali escludendo la reazione F/v

...le specifiche di risoluzione in bit dei convertitori sull'ingresso analogico degli inverter, ..

Tipica 12 bits o 12 bits più segno.

In conclusione ti sconsiglio vivamente un controllo basato sulla conversione F/V come l'attuale. Nell'ipotesi migliore non aggiungi precisione, in quella pessima peggiori la precisione intrinseca dell'azionamento.

[effebi]

Si, il "trucco" del collegamento a D a 400 V e' molto interessante. Lo avevo visto in altro un post di recente, non mi ricordo se ad opera di Livio o di Mario.

Lo faro' senz'altro se avro' la possibilita' di alimentare il tutto a 400 3F. Per ora ho solo 240 V, per giunta IT, quindi inverter monofase.

Diciamo che ho appreso molto da questo piccolo post, e cerchero' d i farne tesoro. In un paio di settimane dovrei affrontare il lavoro, e vi faro' sapere com'e andata.

Se ci fossero altri interventi saranno comunque graditi.

garzie, ciao

effebi

[effebi]

Tanto per chiudere la discussione:

ho effettuato con successo la modifica, controllo in cascata con inverter vettoriale nell'anello interno (A*B 350).

Parametri del PID interno all'inverter fatti con l'autotuning del sistema ad anello chiuso.

Nell'anello esterno il PID solo integrale, molto blando.

In pratica il comportamento e' analogo a quello del motore DC originale, con il vantaggio di un sistema piu' moderno, molto piu' economico e presumibilmente piu' affidabile.

Devo dire che sono rimasto sorpreso piu' che altro delle prestazioni dinamiche (coppia ed accelerazione) ottenibili oggi con sudddetti inverter, in maniera tuttosommato semplice ed economica.

Grazie a tutti, ciao

CP

[Livio Orsini]

Nell'anello esterno il PID solo integrale, molto blando.

Quindi controlli praticamente solo la media, affidandoti per il breve periodo all'anello interno del vettoriale.

..sono rimasto sorpreso piu' che altro delle prestazioni dinamiche...

Oramai non hanno nulla da invidiare agli azionamenti in cc, anzi possone essere più performanti con minori problemi di manutenzione.

[effebi]

Quindi controlli praticamente solo la media, affidandoti per il breve periodo all'anello interno del vettoriale.

Si, giusto. mettendo anche poca azione proporzionale, a causa del ritardo introdotto dalle cinghie di trasmissione, si ha instabilita' con setpoint bassi, che vengono raggiunti e superati subito, avviene una brusca frenata, e cosi' via.

In pratica ho usato gli stessi settaggi del motore DC, anche un po' piu' bassi.

Invece i settaggi consigliati per i vecchi motori AC (che tra l'altro godevano di un rappoto di trasmissione pi'u "corto" del 25%)

si sono rivelati subito troppo "nervosi".

Oramai non hanno nulla da invidiare agli azionamenti in cc,

.

La differenza con i vecchi AC+V/F è abissale, non credevo. Sara' che il motore, della stessa marca dell'azionamento, e' ben pilotato, ma il suo funzionamento mostra dei "muscoli" del tutto sconosciuti con i vecchi asincroni ed i V/F.

Devo aggiungere che il mettere in pratica i consigli ricevuti sul Forum è stata sicuramente un'esperienza formativa di cui ringrazio vivamente coloro che sono intervenuti.

Ciao,

effebi